JP6156879B2 - 溶融塩電解槽 - Google Patents

Description

本発明は、金属Ｍｇの製造等に用いられる溶融塩電解槽に関し、より詳しくは、槽内の溶融塩の浴面変動を抑制することにより、その浴面変動による電流効率の低下、及び生成金属への不純物の侵入を抑制する溶融塩電解槽に関する。

従来よりスポンジチタンの製造にはクロール法と呼ばれる還元法が使用されている。クロール法によるスポンジチタンの製造では、反応容器内の溶融Ｍｇに四塩化チタンの液体を滴下し、その四塩化チタンをＭｇで還元することにより、反応容器内にスポンジチタンが生成し、副生物としてＭｇＣｌ２ が生成する。副生物であるＭｇＣｌ２ は溶融塩電解法により金属Ｍｇに戻され、前記クロール法に還元剤として再使用される。

溶融塩電解法による金属Ｍｇの製造では、耐火レンガにより構築された電解槽が使用される。この電解槽は電解室とＭｇ回収室とに分かれており、操業ではＭｇＣｌ２ の溶融塩を槽内に投入し、電解室での電気分解によりＭｇを生成する。電解室で生成したＭｇは槽内での溶融塩の対流により隣接するＭｇ回収室に運ばれて、回収室内の溶融塩上に浮上し、逐次回収される。電解室ではＭｇの生成と同時に塩素ガスが発生する。

このような金属Ｍｇの製造では、製造コストのなかで電力コストが多くを占めるため、電解槽での電流効率を高めることが、Ｍｇの製造コストを引き下げる上で非常に重要な要件となっている。電解槽での電流効率を低下させる要因は様々あるが、その一つは電解槽内の溶融塩の浴面レベル変動である。

すなわち、電解槽内の溶融塩の浴面レベルが基準レベルより高いと、電極より上の浴塩部分が多くなるため、ここを電流が短絡し、所謂カレントリークが発生する。反対に、電解槽内の溶融塩の浴塩レベルが基準レベルより低いと、電極部分にＭｇが滞留し、電極同士の短絡を発生させることにより、カレントリークが発生し、電流効率を悪化させる。

これらのため、電解槽内の溶融塩の浴面レベルを基準レベルに管理することは非常に重要な技術課題であり、その課題を解決するために不活性ガスを使用した浴面レベル調整装置が従来より用いられている。すなわち、この浴面レベル調整装置としては、特許文献１に示されているように、コップを伏せたような無底容器状の構造物を、電解槽内の浴面レベルより下に設置し、その構造物内に不活性ガスを注入することにより、構造物内から溶融塩を押し出して電解槽内の浴面レベルを上昇させると共に、その構造物内から不活性ガスを抜き出すことにより、構造物内へ溶融塩を引き込んで電解槽内の浴面レベルを低下させる装置が一般的である。

電解槽内の溶融塩の浴面レベルを変動させる要因としては、金属Ｍｇの生成に伴う溶融塩の連続的な消費と、生成した金属Ｍｇの汲み上げとがある。前者の浴面レベル変動は、溶融塩の電気分解による消費に伴う浴面の緩やかな低下であり、特許文献１に記載されている。電気分解による溶融塩の消費量は、一般に、１分間あたりで電解槽内容量の０．０１〜０．０２％ある。後者の浴面レベル変動は、生成した金属Ｍｇの汲み上げ作業が数分間という短時間で行われることに伴うもので、前者のレベル変動に比して、浴面の急激で大きな低下となる。

従来は、通常操業時の溶融塩消費による連続的な浴面レベル低下に対しては、無底容器状の構造物内に不活性ガスを連続的に供給する。このとき溶融塩の対流や塩素ガスの発生などの影響により浴面レベルの小さな変動が生じる。このため、流量制御弁による流量制御が行われる。一方、Ｍｇ汲み上げによる浴面レベルの急激な低下に対しては、その流量制御弁を全開にして最大流量の不活性ガスを供給することで対応していた。

溶融塩電解法による金属Ｍｇの製造での別の問題点としては、生成される金属Ｍｇの不純物侵入による汚染がある。

特開昭５８−１６１７８８号公報

本発明の目的は、溶融塩電解法による金属Ｍｇの製造等で問題となる電流効率の低下と生成金属の不純物による汚染とを、共に効果的に防止できる溶融塩電解槽を提供することにある。

ところで、溶融塩電解法による金属Ｍｇの製造で問題となる溶融塩の浴面レベル変動であるが、電解槽に現在装備されている浴面調整装置による浴面レベル制御によれば、その浴面レベル変動による電流効率の低下は最早発生しないと考えられていた。しかし、本発明者が、溶融塩の浴面レベル変動と電流効率の低下との関係について詳細に調査検討したところ、溶融塩の浴面レベル変動による電流効率の低下は、依然として発生し続けていることが判明した。

すなわち、従来の浴面レベル調整装置による浴面レベルの制御状況を図２中に破線で示す。同破線から分かるように、通常操業時においては、金属Ｍｇの生成に伴う溶融塩の連続的な消費による浴面の穏やかな低下を補うために、浴面レベルの精密制御が行われる。浴面レベルの精密制御とは、浴面レベルを基準レベルに合わせるべく、浴面レベル調整装置の容器状構造物内への不活性ガスの供給量を、基準レベルからの偏差に応じて高精度に制御するものである。生成した金属Ｍｇの汲み上げ作業に起因する急激な浴面レベル低下を補うときは、その浴面レベルが下限レベルより低くなるレベル異常検知時点を契機として、最大流量の不活性ガスを容器状構造物内へ短時間で供給する高速制御が行われる。

通常操業時の精密制御では不活性ガス流量を穏やかに制御するのが望ましいが、制御速度を遅くしすぎると、流量制御弁の応答性を始めとする種々の弁特性による制限から、汲み出し作業時の高速制御における応答速度が制限される。高速制御における応答速度が制限されると、液面レベルの回復に時間がかかり、浴面レベルが下限レベルを超える時間が長くなる。このため、制御速度を制限しすぎるのは問題となり、その結果として、ある程度の制御速度を確保することが必要となるが、そうすると、通常操業時の精密制御において制御速度が速くなり、結果的に制御精度が悪化するため、浴面レベルの基準レベルを中心とする比較的大きな経時的な周期変動が残る。

精密制御で浴面レベルに経時的な周期変動が生じるのは、前でも触れたが、溶融塩の対流や塩素ガスの発生、Ｍｇ汲み出しに伴う液面レベルの回復動作の影響を受けるためであり、その変動幅は、基準レベルに対して±数ｃｍ程度である。また、Ｍｇ汲み出し時の高速制御においては、浴面レベルが制御範囲より下がったレベル異常検知時点に全開指令を受けたとして、実際に弁が全開し最大流量に達するまでの間に時間がかかるため、一旦大幅に低下した浴面レベルが、精密制御での制御範囲内に回復するまでには相当の時間がかかる。

本発明者の詳細な検討によると、通常操業時の精密制御での浴面レベルの経時的な周期変動も、Ｍｇ汲み出し作業時の高速制御での浴面レベルの制御範囲内への回復遅れも、共に、未だなお、電流効率の低下原因となっていることが判明した。すなわち、前者の精密制御での浴面レベルの経時的な周期変動は変動幅は±数ｃｍと小さくても、制御時間が操業の大半を占める程度に長いために、その影響を無視し得ず、後者の高速制御での浴面レベル制御範囲内への回復遅れは、変動幅が非常に大きいため、時間が短く、頻度が高くなくても、その影響を無視し得ないのである。

また、これらの電流効率の低下原因である浴面レベル変動は、同時に、生成した金属Ｍｇの不純物による汚染原因となっていることが判明した。ここにおける不純物は鉄、酸素・窒素、シリカなどである。汚染のメカニズムは以下のように考えられる。

鉄については、Ｍｇ中のＦｅ量は、溶融塩の温度制御が高精度であれば、Ｍｇへの溶解度以上となることはない。しかし、調査すると、Ｆｅがそれ以上にＭｇ中に混入していることが判明した。Ｍｇ中のＦｅの状態を調査すると、溶解しているものに加え、酸化鉄などの微細な粒子が混入していることが確認された。鉄部材は、基本的には溶融塩中に浸漬し、酸素や塩素から保護されているが、浴面レベルが変動すると、鉄部材が溶融塩から空間へ露出する頻度が増加し、酸化や塩化による浸食が進行する。結果、鉄部材から腐食により剥離した鉄分が混入し、品質を悪化させていることが分かった。

酸素・窒素については、電解槽では槽内の圧力が管理されている。これは、電流効率の向上のためもあるが、槽内が負圧となることで大気中の酸素・窒素が槽内に侵入し、槽内のＭｇと反応とするのを防ぐためである。槽内のＭｇが酸素・窒素と反応すると、ＭｇＯやＭｇ３ Ｎ２ が発生し、Ｔｉ汚染を引き起こす原因となる。浴面レベルが変動すると、槽内の空間部分の容積が変化する。この変化は、槽内圧力の変動を引き起こし、負圧となる頻度が増加する。その結果、Ｍｇの酸化・窒化が進行し、Ｔｉの酸素値・窒素値を増加させる原因になる。

シリカについては次のとおりである。Ｔｉの品質で重要な因子の一つに酸素がある。その混入経路を特定するために、Ｔｉの原料であるＭｇを分析すると、Ｍｇ中にシリカ粒子が多く確認された。Ｍｇ電解槽においては比重の関係上、溶融塩の表層部上にＭｇが浮く形となる。シリカ質のレンガはＭｇによって還元されやすいため、浴面付近のレンガとしては、シリカ質のレンガよりＭｇに対する耐性が高いアルミナ質のレンガが使用されている。しかし、アルミナ質のレンガは非常に高価なため、その施工部分は浴面付近に限定されている。浴面レベルが変動すると、浴面がアルミナ質レンガの施工範囲から逸脱してしまい、シリカ質レンガと接する頻度が上昇する。これが、Ｍｇ中にシリカ粒子を増加させている原因であることが確認された。

これらの新たな知見事実から、本発明者は浴面レベル変動を抑制することの重要性を再認識し、電解槽に装備される浴面調整装置の不活性ガス供給系統を、通常操業時の精密制御を専用に行う第１制御系と、Ｍｇ汲み出し作業時の高速制御を専用に行う第２制御系との二つに分け、第１制御系では従来の精密制御よりも更に制御精度の高い超精密制御を行い、第２制御系では従来の高速制御よりも不活性ガスを短時間で多量に供給して浴面レベル回復時間を短縮する超高速制御を行うことにより、浴面レベル変動を顕著に抑制でき、そのレベル変動に起因する諸問題（電流効率の低下・Ｍｇの不純物汚染）を効果的に解決できるとの結論に至った。

すなわち、浴面調整装置への不活性ガス供給系統を従来の１系統から、精密制御系と高速制御系との２系統に分けると、精密制御系で超精密制御を行っても、それによる制約が高速制御に及ぶことがなく、同様に、高速制御系で超高速制御を行っても、それによる制約が精密制御に及ぶことがないのである。本発明者は、精密制御での制御精度を浴面レベルの変動幅で数ｍｍレベルまで小さくした超精密制御を行ったところ、Ｍｇ汲み出し作業に伴う高速制御での浴面レベルの回復時間が著しく増大し、電流効率の向上効果も金属Ｍｇの不純物汚染低減効果も得られず、むしろ両者ともに悪化する傾向を確認した。

本発明の溶融塩電解槽は、かかる一連の知見事項を基礎として完成されたものであり、浴面レベル維持のために浴面下に設置された容器状の構造物内に不活性ガスを供給し、また前記構造物内から不活性ガスを排出することにより、浴面レベルを調整する浴面調整装置を装備した溶融塩電解槽であって、前記構造物内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給系として、通常操業時に溶融塩の電解消費による浴面レベル低下を補う際に不活性ガス供給量を制御して浴面レベルの変動を抑制する精密制御系と、電解生成金属の汲み出し作業に伴う浴面レベルの異常低下時に不活性ガス供給量を急増させて浴面レベルを回復させる高速制御系とを具備している。

本発明の溶融塩電解槽においては、不活性ガス供給系が精密制御系と高速制御系との２系統により構成されているので、精密制御系における制御精度を高めることにより、通常操業時の浴面レベル変動幅が小さくなると共に、その影響が高速制御系に及ぶことがない。これにより、高速制御系においては、浴面レベル異常低下時の応答性を高めることが可能となり、その結果として、浴面レベル異常低下時の浴面レベル回復時間を短くすることができ、そのことが精密制御系に影響を及ぼすこともない。これらの結果、通常操業時の浴面レベル変動幅が小さくなることにより電流効率が向上すると共に、生成金属の不純物汚染が抑制され、金属汲み出し作業時の浴面レベル回復時間が短くなることによっても、電流効率が向上すると共に、生成金属の不純物汚染が抑制される。

精密制御系と高速制御系とは、前者がＰＩＤ制御弁のような流量制御弁を有し、後者が流路開閉弁（オン・オフ制御弁）を有する二つの独立した配管系統、若しくは流量制御弁に対して流路開閉弁（オン・オフ制御弁）をバイパス経路として設けた一部独立配管系により構成し、それらの配管系の機械的切替えを行うのが一般的であるが、配管系統が１系統でも、そこにおける制御弁を流量制御と開閉制御の切替えが可能な構成とすることでも２系統化は可能であり、この場合は電気的なバルブ操作により系統の切替えを行うことになる。

系統の切替えは、具体的には浴面レベルの測定値に基づいて自動で行うのが望ましく、より具体的には、浴面レベルの基準レベルに対するレベル偏差が基準値より大となったときに精密制御系から急速制御系へ自動で切替え、前記レベル偏差が基準値より小となったときに急速制御系から精密制御系へ自動で切替えるのが望ましい。

精密制御系は、制御精度が高いことが重要である。その制御精度は、通常操業時の浴面変動幅で表して１ｃｍ未満のｍｍオーダー精度が望ましい。そのような流量制御では制御弁（流量制御弁）の応答性が低下するため、電解生成金属汲み出し作業時の急激な浴面レベル低下に対応することはできない。

これに対し、高速制御系は、電解生成金属汲み出し作業時の急激な浴面レベル低下に対する応答性が高く、短時間で大量の不活性ガスを供給できることが重要となる。その応答性は、浴面レベルが精密制御範囲の下限レベルなどの基準値より低下するレベル異常検知時に最大どれほどの流量を確保できるかで表すことができ、この異常検知時の最大可能流量は、通常操業時の平均流量の５倍以上が好ましく、２５倍以上が更に好ましく、１００倍以上が最も好ましい。

一方、精密制御系に設けられる流量制御弁の応答性は、この浴面レベル異常低下検知時の最大可能流量で表すならば、通常操業時の平均流量と大差なく、時間経過と共に徐々に流量を増大させ、異常検知（全開指示）から実際に最大流量（全開状態）となるまでの時間で表せば、６０〜１２０秒程度である。また、高速制御系における流路開閉弁の応答性を、この異常検知（全開指示）から実際に最大流量（全開状態）となるまでの時間で表せば、瞬時である。

他方、精密制御系と高速制御系との区別がない従来の不活性ガス供給系統に設けられる流量制御弁も、浴面レベル異常低下検知から時間経過と共に徐々に流量を増大させるが、異常検知（全開指示）から最大流量（全開状態）となるまでの時間は、１５〜３０秒程度と、精密制御系に設けられる流量制御弁よりかは短い。

本発明の溶融塩電解槽は、浴面レベル調整用の容器状構造物内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給系として、通常操業時に溶融塩の電解消費による浴面レベル低下を補う際に不活性ガス供給量を制御して浴面レベルの変動を抑制する精密制御系と、電解生成金属の汲み出し作業に伴う浴面レベルの異常低下時に不活性ガス供給量を急増させて浴面レベルを回復させる高速制御系との２系統を具備することにより、通常操業時における浴面レベル変動幅を小さく抑制しつつ、金属汲み出し作業時における浴面レベル回復時間を短く抑制し得るので、これら両面から電流効率の向上を図り、且つ生成金属の不純物汚染を抑制して、その品質向上を図る。

本発明の一実施形態を示す溶融塩電解槽の構成図である。 浴面レベルの経時的変動を従来の電解槽及び本発明の電解槽について示すグラフである。

以下に本発明の実施形態を説明する。

本実施形態の溶融塩電解槽は、クロール法で副生したＭｇＣｌ２ から金属Ｍｇを再生するためのＭｇ電解槽である。本電解槽は、図１に示すように、溶融塩２を収容する矩形の槽本体１を有している。槽本体１の内部は、槽長方向の中間部に設けた隔壁３により電解室４とＭｇ回収室５とに２分されており、電解室４には、溶融塩２を電気分解するために、陽極６と陰極７とが横幅方向に交互に配列されている。電解室４とＭｇ回収室５との間で溶融塩２を循環対流させるために、隔壁３には開口部１１が上下２段に設けられている。

一方、Ｍｇ回収室５には、浴面レベル調整装置の主要構成部材である無底容器状の構造物１２が設置されている。無底容器状の構造物１２はカップを伏せた釣り鐘状であり、全体が槽本体１内の溶融塩２中に常時浸漬するように、第１の縦管によって浴面レベルより下に支持されている。無底容器状の構造物１２には、不活性ガスの供給・排出系が構造物１２の支持部材を兼ねる第１の縦管１７を介して接続されている。

不活性ガスの供給・排出系のうち、不活性ガス供給系２０は２系統からなる。第１の系統は精密制御系２０Ａであり、第２の系統は高速制御系２０Ｂである。精密制御系２０Ａは、流量制御弁２２Ａが介装された第１のガス供給管２１Ａ（横管）からなり、第１の縦管１７の上に接続された給排用の縦管１８に連結されている。ガス供給管２１Ａの上流側は、図示されないＡｒガス源に接続されている。

高速制御系２０Ｂは、流路開閉弁２２Ｂが介装された第２のガス供給管２１Ｂ（横管）からなり、第２のガス供給管２１Ｂは第１のガス供給管２１Ａと共に給排用の縦管１８に連結されている。ガス供給管２１Ｂの上流側は、ガス供給管２１Ａの上流側と共に、図示されないＡｒガス源に接続されている。

これらに対し、不活性ガス排出系３０は１系統であり、不活性ガス供給系の下流側において給排用の縦管１８から分岐したガス排出管３１（横管）と、当該ガス排出管３１に介装された流路開閉弁３２とからなる。ガス排出管３１の下流側は、図示されない不活性ガス回収装置に接続されている。

Ｍｇ回収室５には又、槽本体１内の溶融塩２を温度制御するために、コイル状の熱交換器１３が無底容器状の構造物１２を包囲するように設けられると共に、溶融塩２の温度を測定する温度計１４と、溶融塩の浴面レベルを測定するレベル計１５とが、槽本体１の上から天井部を貫通して溶融塩２に達する状態に挿入されている。１６はＭｇ回収室５内の溶融塩２上に浮遊した金属Ｍｇ層である。

不活性ガスの供給・排出系に装備された流量制御弁２２Ａ並びに流路開閉弁２２Ｂ及び３２は、制御器４０により、レベル計１５の出力信号を基にして開度を制御される。制御器４０の動作の詳細は後で説明する。熱交換器１３は冷却器であり、図示されない別の制御器により、温度計１４の出力信号に基づいて空気の流通量を制御されることにより、溶融塩２を適正温度に管理する。ちなみに、溶融塩２の電解反応は温度上昇を伴う。

次に、本実施形態の溶融塩電解槽を使用して金属Ｍｇを生成する方法について説明する。

溶融塩２としてのＭｇＣｌ２ を槽本体１内に満たした状態で、電解室４内の陽極６と陰極７との間に所定の電圧を印加して電解室４内で溶融塩２を電気分解することにより、金属Ｍｇが生成される。電解室４で生成された金属Ｍｇは、槽本体１内での溶融塩２の対流によりＭｇ回収室５内に運ばれ、Ｍｇ回収室５内の溶融塩２上にＭｇ層１６として蓄積される。溶融塩２の電気分解に伴って電解室４で発生した塩素ガスは適宜、室外へ抜き取られる。

このような溶融塩２の電解操業に伴って溶融塩２が消費され、これを放置すると、溶融塩２の浴面レベルが徐々に低下していく。このような通常操業時の浴面レベル低下を阻止するために、制御器４０は、図２に示すように、精密制御系２０Ａ内の流量制御弁２２Ａを通して不活性ガスを無底容器状の構造物１２内に注入する。これにより、無底容器状の構造物１２内から溶融塩２が押し出され、溶融塩２の浴面レベルはマクロ的、平均的には基準レベルに一致するが、溶融塩２の対流や塩素ガスの発生、後述するＭｇ汲み出し作業の影響などにより経時的な周期変動が生じる。この浴面レベルの経時的な周期変動を小さく抑制するために、制御器４０は流量制御弁２２Ａの開度を細かく調整するのである。

精密制御系２０Ａが担当する液面レベルの制御範囲を、図２に「精密制御範囲」として示す。本実施形態の溶融塩電解槽では、精密制御系２０Ａ内の流量制御弁２２Ａによる精密制御精度を高めるために、その流量制御弁２２Ａとして、従来よりも制御精度が高いＰＩＤ制御弁が用いられている。これにより、通常操業時は、浴面レベルの精密制御として、流量制御弁２２Ａによる超精密制御が行われる。このため、浴面レベルの変動幅は、精密制御範囲内に収まることは勿論、その精密制御範囲内において、従来の±ｃｍオーダーから±ｍｍオーダーにまで抑制される。

その結果、通常操業時においては、電流効率が上り、合わせて、生成Ｍｇの不純物汚染が抑制される。

溶融塩２の電解操業に伴ってＭｇ回収室５内の溶融塩２上に蓄積したＭｇ層１６が所定量に達すると、Ｍｇ汲み出し作業が行われる。この汲み出し作業は数分間と非常に短時間で行われ、また金属Ｍｇの汲み出し量も多いため、Ｍｇ汲み出し作業に伴って浴面レベルが急激に大きく低下する。このような浴面レベルの急激な変化に流量制御弁２２Ａは対応できないため、浴面レベルは、一時的には精密制御範囲の下限より下へ大きく下がる。

そうすると、制御器４０は、直ちに高速制御系２０Ｂ内の流路開閉弁２２Ｂに開放指示を与える。これを受けて、流路開閉弁２２Ｂは閉状態から開状態へ瞬時に切り替わり、大量のＡｒガスが無底容器状の構造物１２内に注入し始める。これによりＭｇ汲み出し作業に伴う浴面レベルの急激な低下が急速に回復し始める。浴面レベルが精密制御範囲内に戻ると、流路開閉弁２２Ｂは開状態から閉状態へ瞬時に切り替わり、再び精密制御系２０Ａ内の流量制御弁２２Ａによる超精密制御が行われる。

本実施形態の溶融塩電解槽においては、Ｍｇ汲み出し作業に伴う急激な浴面レベルの低下が、このようにして短時間で回復する。その結果、浴面レベルが精密制御範囲の下限より低下している時間（高速制御での液面レベル回復時間であり、図２にＴで示す）が著しく短くなり、これよっても電流効率が上り、合わせて、生成Ｍｇの不純物汚染が抑制される。

従来の溶融塩電解槽においては、不活性ガス供給系が１系統であり、そこにおける流量制御弁が通常操業時の精密制御とＭｇ汲み上げ作業時の高速制御との両方を担当するため、精密制御での制御精度を高めた場合は、高速制御での液面レベル回復時間Ｔが、図２中にＴ１に示すように極端に長くなり、これによる電流効率の低下及び生成Ｍｇの不純物汚染が顕著となる。このため、精密制御での制御精度を極端に高めることはできず、その結果として、精密制御での浴面レベル変動幅も大きくなる。

本実施形態の溶融塩電解槽は、精密制御と高速制御を精密制御系２０Ａ、高速制御系２０Ｂという２つ独立した系統で行うことにより、精密制御での制御精度を極端に高めることができ、同時に高速制御での液面レベル回復時間Ｔを極端に短くすることができるのである。

通常操業を長時間続けることにより、溶融塩２の消費が増え、不活性ガスを使用した浴面レベル調整装置の能力が限界に近づく。そうなると、槽本体１内に溶融塩２を補充するそうすると、今度は溶融塩２の浴面レベルが短時間で急激に上昇する。その液面レベルが精密制御範囲の上限を超えると、制御器４０は不活性ガス排出系３０内の流路開閉弁３２を閉状態から開状態に切り替える。これにより、無底容器状の構造物１２内からＡｒガスが大気圧により排出され、浴面レベルが下がることにより、その浴面レベルが精密制御範囲内に戻る。

流路開閉弁２２Ｂ及び３２が開放している間、流量制御弁２２Ａは、ここでは制御形態が切り替わった時点の状態を維持するが、作動を続けたままでもよく、また一旦、初期状態（オフ状態）へ戻すことも可能である。

本発明の実施例として、本実施形態の溶融塩電解槽により実際にＭｇ電解操業を実施した。そのときの、浴面レベルの標準偏差、電解生成された金属Ｍｇ中の不純物量、及び電解操業での電流効率を調査した。浴面レベルの精密制御範囲は、基準レベルに対して±２０ｍｍとした。

それぞれの調査結果を、精密制御系と高速制御系とが１系統にまとめられた従来の溶融塩電解槽の場合を１００とする相対値にて表１に示す。浴面レベルの標準偏差は、１ヶ月間の浴面変動データから求めた。Ｍｇ中の不純物量とは、Ｆｅ量、酸素量、窒素量及びシリカ量であり、具体的には分光分析や中和滴定などで評価した。また、電流効率は、電解槽の操業開始時から寿命の８０％に至るまでの電流効率の平均値である。

従来例は、精密制御系と高速制御が１系統の不活性ガス供給系を用いた電解槽の場合である。参考例として、本実施形態の溶融塩電解槽に採用された精密制御系のみで１系統の不活性ガス供給系を構成した。本発明例としては、精密制御系と高速制御系の切替えを手動で行った場合と自動で行った場合の２種類を実施した。

本発明例は、従来例と比べて、浴面レベルの標準偏差が小さくなっており、電流効率、製品品質ともに向上している。本発明例のなかでも、自動切替えは手動切替えより、浴面レベルの標準偏差低下、これによる電流効率向上、製品品質向上に有効である。比較例で、通常操業時の浴面レベル変動幅は本発明並に小さくなるが、Ｍｇ抜取り作業時の浴面レベル回復時間Ｔが図２中にＴ２で示すように極端に長くなり、浴面レベルの標準偏差が従来例よりも大きくなることにより、電流効率、製品品質ともに低下する。

１ 槽本体
２ 溶融塩
３ 隔壁
４ 電解室
５ Ｍｇ回収室
６ 陽極
７ 陰極
１１ 開口部
１２ 無底容器状の構造物
１３ 熱交換器
１４ 温度計
１５ レベル計
１６ Ｍｇ層
１７，１８ 縦管
２０ 不活性ガス供給系
２０Ａ 精密制御系
２０Ｂ 高速制御系
２１Ａ，２１Ｂ ガス供給管
２２Ａ 流量制御弁
２２Ｂ 流路開閉弁（オン・オフ制御弁）
３０ 不活性ガス排出系
３１ ガス排出管
３２ 流路開閉弁（オン・オフ制御弁）
４０ 制御器

Claims (6)

1. 浴面レベル維持のために浴面下に設置された容器状の構造物内に不活性ガスを供給し、また前記構造物内から不活性ガスを排出することにより、浴面レベルを調整する浴面調整装置を装備した溶融塩電解槽であって、
   前記構造物内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給系として、通常操業時に溶融塩の電解消費による浴面レベル低下を補う際に不活性ガス供給量を制御して浴面レベルの変動を抑制する精密制御系と、
   電解生成金属の汲み出し作業に伴う浴面レベルの異常低下時に不活性ガス供給量を急増させて浴面レベルを回復させる高速制御系とを具備する溶融塩電解槽。
2. 請求項１に記載の溶融塩電解槽において、精密制御系と高速制御系とが切替え可能である溶融塩電解槽。
3. 請求項２に記載の溶融塩電解槽において、精密制御系と高速制御系との切替えが浴面レベルの測定値に基づいて自動で行われる溶融塩電解槽。
4. 請求項３に記載の溶融塩電解槽において、浴面レベルの基準レベルに対するレベル偏差が基準値より大となったときに精密制御系から急速制御系への切替えが自動で行われ、前記レベル偏差が基準値より小となったときに急速制御系から精密制御系への切替えが自動で行われる溶融塩電解槽。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の溶融塩電解槽において、精密制御系と高速制御系とは、前者が流量制御弁を有し、後者が流路開閉弁を有する二つの独立した配管系統により構成されている溶融塩電解槽。
6. 請求項１〜４の何れかに記載の溶融塩電解槽において、精密制御系と高速制御系とは、流量制御弁に対して流路開閉弁をパイパス経路として設けることにより構成されている溶融塩電解槽。

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